石墨烯和金剛石的雜化軌道
雜化軌道是同一原子內(nèi)能量相近的軌道（如2s與2p）重新組合，形成能量相等、方向性更強(qiáng)的新軌道。目的是通過(guò)優(yōu)化軌道形狀和取向，增強(qiáng)原子間的軌道重疊，使成鍵更穩(wěn)定，同時(shí)解釋分子幾何構(gòu)型。
常見(jiàn)的雜化軌道類型及特點(diǎn)：
| 雜化類型 | 參與軌道 | 幾何構(gòu)型 | 鍵角 | 實(shí)例 |
| sp3 | 1個(gè)s + 3個(gè)p | 四面體 | 109.5° | 甲烷（CH?）、金剛石 |
| sp2 | 1個(gè)s + 2個(gè)p | 平面三角形 | 120° | 石墨烯、苯（C?H?） |
| sp | 1個(gè)s + 1個(gè)p | 直線型 | 180° | 乙炔（C?H?）、CO? |
| sp3d | 1個(gè)s + 3個(gè)p + 1個(gè)d | 三角雙錐 | 90°, 120° | PCl?（氣態(tài)） |
| sp3d2 | 1個(gè)s + 3個(gè)p + 2個(gè)d | 八面體 | 90° | SF? |
石墨烯和金剛石的雜化軌道
石墨烯和金剛石分別為sp2和sp3雜化軌道。sp2是3個(gè)σ鍵（平面內(nèi)） + 1個(gè)離域π鍵（垂直平面），未雜化的pz軌道形成離域π電子云；sp3是4個(gè)σ鍵（三維四面體結(jié)構(gòu)），所有電子局域在σ鍵中，無(wú)離域電子。
結(jié)構(gòu)差異的直接表現(xiàn)
（1）維度與鍵合方式
石墨烯：二維蜂窩狀平面結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子通過(guò)sp2雜化形成三個(gè)平面內(nèi)σ鍵，鍵角120°，構(gòu)成六邊形網(wǎng)格。
層間作用力：層間僅通過(guò)范德華力結(jié)合，易剝離成單層。
金剛石：三維四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子通過(guò)sp3雜化形成四個(gè)σ鍵，鍵角109.5°，形成剛性立體結(jié)構(gòu)。整體共價(jià)鍵連接，無(wú)層狀分離特性。
（2）電子自由度
石墨烯：未雜化的pz軌道形成離域π鍵，電子可在平面內(nèi)自由移動(dòng)。
金剛石：所有電子局域在σ鍵中，無(wú)自由電子。
正是因?yàn)殡娮映涉I結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致同為碳材料的石墨烯和金剛石性能有較大差異。